残余应力投稿期刊

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试验研究 残余应力的超声检测方法 徐春广，宋文涛，潘勤学，李骁，靳鑫，刘海洋（）北京理工大学机械与车辆学院，北京100081 摘要：建立超声应力检测与校准系统，分别利用该系统和X射线应力分析仪对Q235钢、685钢、铝合金等试样进行残余应力检测，通过对比研究表明两种方法的应力检测值并不相45号钢、同，但是应力趋势基本相同。利用超声法对焊缝、平板类零件、轴类零件、管类内壁、螺栓、涂覆层下、玻璃及陶瓷等的残余应力分布进行检测，取得较好的应用效果。 关键词：残余应力；无损检测；超声波；X射线 （）TG115．28文献标志码：A文章编号：10006656201407002507中图分类号：－－－ ResidualStressNondestructiveTestinMethodUsinUltrasonicgg ，，，，，uaninanXUChunSONGWentaoPANxueLIXiaoJINXinLIUHai－－－－ggQyg （，，）SchoolofMechanicalEnineerinBeiinInstituteofTechnoloBeiin100081，Chinaggjggyjg ：A，aAbstractsstemofultrasonicstresstestinandcalibrationwasestablishedndresectivelusintheygpyg，，，andXrastressanalzertodetecttheresidualstressinsecimenofQ235steel685steel45＃steelandsstem－yypy，aluminumallo．Thecomarativestudshowsthatthedetectedstressvaluesofthetwomethodsaredifferentbutypy，，stresstrendisalmostthesame．Finallthrouhusinultrasonicmethodweobtainsatisfiedalicationresultontheyggpp，，，，，，theresidualstresstestinofweldointflatartsshaftartsthetubeinnerwallboltcoatinartslassandgjppgpg，ceramiccomonentandsoon．p ：；；U；KewordsResidualstressNondestructivetestinltrasonicX－Ragyy 残余应力是材料内部不均匀塑性变形引起的 自身保持平衡的弹性应力。根据德国学者Mach－（马赫劳赫）博士于1erauch973年提出的内应力模1］ ，可将残余应力分为三类。第Ⅰ类内应力是材型［ 料中晶粒之间的平均应力，作用范围是毫米级；第各晶粒之间因弹性Ⅱ类内应力作用在单个晶粒内，和塑性各向异性而不同；第Ⅲ类内应力存在于晶粒中，其本质上是由晶粒内存在的位错和其它缺陷造第Ⅱ类和成的。第Ⅰ类内应力称为宏观残余应力，第Ⅲ类内应力统称为微观应力。通常检测到的是宏观残余应力。 残余应力的产生主要源于不均匀的弹塑性变形、不均匀的温度变化以及不均匀的相变。在很多情况下，残余应力的产生是以上三种因素综合作用 2］ 。加工制造过程中，的结果［残余应力不可避免，其 影响有利有弊，一方面希望消除残余拉应力，另一方面希望预置残余压应力。如对于大型拼焊构件，焊接残余应力可能导致构件变形或开裂，造成早期失效；而对于轧辊、齿轮、轴承、弹簧、曲轴、身管之类的零部件，主要考虑如何通过施加残余压应力来 3］ 。提高零件的疲劳强度［ 为了有效地控制和利用残余应力，需要准确地检测出残余应力值，并对其状态进行合理的评估。目前残余应力检测的方法有很多，如X射线法、盲孔法、巴克豪森法等。2意大利R012年，ossini教授对比分析各种检测方法后认为，超声波法是残余应 3］ 。力的无损检测发展方向上最有前途的技术之一［ 收稿日期：20131119－－ ）；基金项目：国家自然科学基金资助项目（国家重大科51275042和科技部国际合作专项资助项目技工程专项（2011ZX04014081）－（）S2012ZR0084 ，作者简介：徐春广（男，博士，教授，主要从事超声无损1964－）测量与计量技术的研究。检测与控制， 超声波应力检测是基于超声波波速与材料应力间的线性关系，这个关系即为在材料弹性极限内表现 2014年第36卷第7期 25 徐春广等：残余应力的超声检测方法 出的声弹性效应，该效应表明了声时与应力的线性相关。笔者首先介绍了残余应力超声临界折射纵波法的基本原理；然后搭建了超声应力检测与校准分别利用超声临界折射纵波法和X射线衍射系统， 铝合金等试样进行残余应力法对Q235钢、45号钢、检测，并对比研究不同方法检测的结果；最后，利用建立的超声应力检测与校准系统，应用到对焊缝、平板类零件、轴类零件、管类内壁、螺栓、涂覆层下、玻璃及陶瓷等的残余应力分布检测中。 图1LCR波的激励与被测残余应力区域 在残余应力检测过程中，环境温度造成的检测误差不可忽视，尤其是在户外长期作业时。研究表明，对于普通钢材，1℃的温度变化平均可以引起 ［］ 必须在检测系75MPa左右的应力变化9。因此， 统中引入温度补偿。系统通过理论分析和温度时 1超声检测基本理论 经研究发现，沿应力方向传播临界折射纵波 ］5－7 （：波速与应力之间的关系如下［LCR） 2（4104m）＋2lv＝2λ＋λ＋λ＋0μ＋ρμ＋3＋2λμμ （）1 ］ 得到温度与声时的关系表达式，然后编入差试验， 由系统软件根据采集的温度数值自动消系统软件， 除温度造成的误差。 为了确保检测值准确（精度始终维持在其误差范，围之内）需要定期对残余应力超声检测系统进行校准。图2是利用微机控制拉伸机进行绝对校准的流程图，图3是对685钢拉伸试样进行校准时的声时－应力曲线图，从图中看出，校准后的曲线更接近实际加载应力曲线，满足检测精度在－20～20MPa范围之内 。 式中：v为有应力情况下LCR波的传播速度；0为被ρ测材料的密度；l和λ和μ为材料的二阶弹性常数；正值表示拉应力，负σ为应力值，μ为三阶弹性常数；值表示压应力。 ）对式（两边分别求导得出声速的变化量与应1力的变化量之间的关系： （）＝22＝v0dσ2 式中：ddv为Lσ为应力的改变量；CR波传播速度的改变量；vK为0为零应力条件下纵波的传播速度；声弹性常数。 ）由式（可得，在固定传播距离内，应力与声速2的关系可以简化为： dtσ＝K0d （）3 ；为应力常数；为零应力条件下式中：K0＝K0t0 Kt0 LCR波传播固定距离所需要的时间。 ）由式（可知，通过精确测量L3CR波传播的声时或声时差，就可以计算得到对应的应力值。 2超声应力检测与校准系统 基于S采用一发一收模式，利用第一临nell定律，界角加工出有机玻璃透声楔，激励出的超声临界折射纵波可检测工件表面以下一定深度的残余应力值，渗透深度是其频率的函数，如图1所示。通常情况下频 ］8 ，在较薄构件中容易激发出导波［同时对应率太低， 图2系统绝对校准流程图 系统适用材料范围为金属、玻璃、陶瓷等，适用工件类别为平板、轴类、盘类、管道、螺栓、涂覆层下等；检测范围（为－σσs为被测材料屈服强度）s～；；检测误差为－2温度范围为0～Pa0～20MPaσsM 力敏感度降低；频率太高，渗透深度太浅，表面粗糙度同时波形衰减很严重 。对测试结果影响增大， 26 2014年第36卷第7期 徐春广等：残余应力的超声检测方法 3．2685钢定值试块 采用喷丸工艺制作残余压应力定值试块，试块材料为6表面粗糙度Ra不大于3．85钢，2μm。喷 加热到4丸前对试块进行退火处理（50℃保温2h，，然后再随炉冷却）以消除初始应力。热处理后，对工件表面氧化膜进行清理，然后对试块采用单个喷嘴进行喷丸处理。将试块放入保温箱（温度在18～ 图3系统绝对校准的声时－应力曲线 ，以防止长时间昼夜温差大造成试块应力自22℃） 然释放。 对6mm厚和20mm厚定值试块的残余应力分别采用超声法与X射线法进行长期监测。超声即利用法零应力标定采用不同厚度分开标定，6mm厚经退火处理而未喷丸的试块标定6mm厚定值试块零应力，20mm厚经退火处理而未喷丸的试块标定20mm厚定值试块零应力。定值试块的监测区域如图5所示 。 检测深度为0．每个检测点的时30℃；5～150mm； 间为0．5～2min。 3残余应力检测对比试验 X射线检测设备采用日本Riaku公司生产的g管MSF3M射线应力分析仪。其主要参数分别是：－ ；电压为3固定）管电流为0．连续0kV（5～10mA（；；；可调）靶材为C有效聚焦为X射线类型为Kar ；4mm×4mm；240°70°θ测角范围为1～1ψ测角范。围为0°5°～4 试验前，确保X射线应力分析仪的检测精度，利用X射线应力分析仪对零应力铁粉进行检测，结满足精度要求。果在－2．74～1．5MPa范围内，3．1Q235钢 选用Q试样表面粗糙度Ra不大于235钢，分为A、每组6块，3．2μm。试样共12块，B两组， 按顺序编号。 对A、B两组试样分别采用超声和X射线应力超声检测前需要进行零应力标定，取每进行检测， 组的编号1试样作为零应力标定，每个试样都重复检测直至稳定。由于残余应力在不同方向上具有一定的差异，所以在用X射线法检测残余应力时，应保证其检测方向与超声检测方向相同。使用的超声应力传感器两个换能器的间距为5在超0mm，每次利用X射线检声检测区域选取3个等分区域， 测其中一个区域，每个试样都检测3次，如图4所示 。 图5685钢喷丸定值试块残余应力长期监测区域 3．345钢C形环 加工一4试样表面粗糙度Ra不5号钢C形环，大于3．调节C形环的径向压2μm。通过旋动螺母， 缩量，从而实现应力加载。分别采用超声法和X射线法检测加载的应力，超声法零应力标定在径向压缩量为0mm时，检测的现场和检测区域如图6所示 。 图645号钢C形环应力检测区域示意图 3．4铝合金 对L试样分别采用超声与X射线Y12铝合金：图7进行残余应力检测。试样表面经过精磨加工，为铝合金试样的检测区域示意图，其中超声检测区 图4Q235钢超声与X射线检测区域示意图 域为5个长方形区域，从左到右依次编号；X射线检测区域为1即每个超声检测区域对应5个方形区域， 2014年第36卷第7期 27 徐春广等：残余应力的超声检测方法 3个X射线区域。超声检测的零应力标定等方法与3．1中Q235钢的试验方法相同 。 图7铝合金超声与X射线检测区域示意图 4试验结果 4．1Q235钢 将A、B两组的检测均值绘制成对比折线图如图8，9 。 图1120mm厚定值试块超声与射线监测结果对比 4．345钢C形环 将C形环应力加载试验的两种方法检测值绘制成对比折线图如图12 。 图8Q235钢A 组试样超声与射线检测结果对比 图12C形环两次应力加载的超声与射线检测结果对比 4．4铝合金 将铝合金试验检测均值绘制成对比折线图如图13所示 。 图9Q235钢B组试样超声与射线检测结果对比 4．2685钢定值试块 对6mm厚685钢定值试块的残余应力长期监测结果如图1对20；0mm厚定值试块的残余应力长期监测结果如图11 。 图13铝合金超声与射线检测结果对比 5讨论 综合对Q铝合金等材235钢、685钢、45号钢、超声法残余料的超声与X射线检测结果可以看出， 应力检测值和X射线法应力检测值并不相同，这是因为超声法检测的面积和深度与X射线法不同，但是应力趋势基本相同，尤其是从4．3中对C形环应力加载后的应力折线图可以看出。 由此可见，超声法与X射线法都可以反应构件 图106mm 厚定值试块超声与射线监测结果对比残余应力状态和趋势，其理论上应该有一定的对应 28 2014年第36卷第7期 徐春广等：残余应力的超声检测方法关系，但是目前缺乏确切的理论依据。 各国都有其X射线法的理论与应用都较为完善， 检测标准。超声波法是近几年才发展起来的新技术，因此暂无可执行的标准。据此，北京理工大学检测与——残余应力的超声临无损检测—控制研究所拟定了《 界折射纵波无损检测方法》的国家标准，该标准已于2013年11月通过国家标准化管理委员会的初步审定。该团队通过对标准总则的进一步完善以及制定最终形成一整残余应力超声检测的校准和试块标准，套的超声残余应力检测标准体系。 6．2平板焊缝残余应力分布 焊接残余应力的分布不均，会导致车辆在服役过程中重要部位会发生弯曲变形，甚至产生裂纹，最终开裂。利用该装置先后对内蒙古一机集团和北方重工集团的车辆焊缝及母材的残余应力进行如图1了超声无损检测适应性研究，6所示。该材料为6焊接工艺为氩弧焊 。85钢， 6工程应用 6．1管焊缝残余应力分布 在我国“西气东输”工程中，为提高输气速度与须提高输送压力。然而由于管道焊缝残余输气量， 应力的影响，压力提高后，焊缝附近很容易因残余拉应力而出现裂纹，进而导致爆管事故。 利用残余应力超声检测与校准系统，对新疆克拉玛依“西气东输”管道焊缝残余应力进行现场检测，评如图1该管道材料为X估其危险区域，4所示，70钢，焊接工艺为手工电弧焊。为了说明评估结果的准确性，将危险段切下进行打压爆管试验，结果如图15所爆破处与评估得出的危险区域基本相符 。示， 图16焊接残余应力检测 图1是焊缝7是针对其中一条焊缝的检测结果，与理论应力状两侧区域残余应力声时差分布情况，态相符 。 图17焊缝两侧焊接残余应力分布 6．3轴类零件残余应力分布 车辆扭力轴为承力部件，容易失效。如果在加 图14 管道焊缝残余应力检测现场图 工制造过程中，扭力轴产生较大残余拉应力，则会加快扭力轴的疲劳断裂。因此，需要在使用前对扭力轴的残余应力进行评估。试验针对某一型号的，，扭力轴，沿着扭力轴0和2四条母线方°90°180°70°向，每移动5将0mm进行一次超声残余应力检测，数据绘制成应力云图如图18所示。从图中可看出，扭力轴整体应力为残余压应力，局部地区有50MPa左右的拉应力。 6．4管类内壁残余应力分布 通常身管内壁要人为产生自紧应力层，但是，往往由于自紧应力层应力分布不均会引起弯曲变形。无损地检测出身管自紧应力分布状况并及时 图15管道爆管试验验证 采取修正措施，可以提高管类构件的生产质量和使 2014年第36卷第7期 29 徐春广等：残余应力的超声检测方法 图18扭力轴残余应力的分布云图 用寿命。图1这是国际上首次检9为试验研究结果，测到身管内部的残余应力分布状态，与实际结果吻合 。 图20 螺栓轴向应力测量 图19身管自紧应力分布云图 6．5螺栓轴向应力分布 利用超声波横纵波探头，对3种不同材料（奥氏体不锈钢、低碳钢、碳钢）的螺栓进行轴向）应力检测，如图2所示，应力加载试验在拉伸0（a将螺帽处铣削平整，保证横机上进行。试验前， 达到理想耦合效果。纵波探头与螺栓良好接触， ）图2为奥氏体不锈钢螺栓的加载应力与超声0（b波检测对比图，试验结果表明，检测平均误差在10％以内。 6．6涂覆层下残余应力分布 对于含有较薄防腐层的构件，超声波可以渗透防腐层，对构件涂覆层下的残余应力进行检测。图21是对涂有漆膜的铝合金试件进行残余应力超声 利用超声波法，铝板涂覆检测的现场。试验表明， 层下的表面应力分布可以较好的检测出来，但是对于漆膜内部以及漆膜与铝板之间的粘接层应力大小还无法检测。 6．7玻璃与陶瓷残余应力分布 很早人们就发现玻璃、液晶平板等材料中的应严重时会降低玻璃制品的力分布通常是不均匀的， 强度和热稳定性，影响制品的安全使用，甚至会发考虑到检测的效率和准确性，生自裂现象。然而， 玻璃的应力检测一直没有较好的手段 。 图21涂有漆膜的铝合金试件残余应力检测 对6mm×120mm×120mm的平板玻璃采用超声残余应力检测。检测前，对玻璃中部区域进行，然后风冷到室温，从而人加热处理（100～150℃）为预置一定残余应力。残余应力检测结果如图22所示，从图中看出，通过加热处理后，平板玻璃产生最大16MPa的残余应力 。 图22玻璃表面残余应力分布云图 7结论 （）采用斜入射一发一收模式，激励出的超声1 30 2014年第36卷第7 期 徐春广等：残余应力的超声检测方法 临界折射纵波（可检测工件表面以下一定深LCR波）度（与换能器的频率有关）的残余应力值，实现对残余应力的快速无损检测。 （）对比超声法与X射线法的试验结果表明，2 两种方法的检测值并不相同，这是因为超声法检测的面积和深度与X射线法不同，但是应力趋势基本相同。超声法与X射线法都可以在一定程度上反其理论上应该有一定应构件残余应力状态和趋势，的对应关系。 （）对比超声法与X射线法的优缺点可以看3出，超声法具有普遍使用、非常快速、低成本、较佳手持式、无辐射污染等诸多优的分辨率和渗透力、 点，具有广阔的发展空间。但是目前还没有相关的国际和国家标准，阻碍了技术的推广。目前，研究——残余应力的超声临无损检测—团队已经拟定了《 界折射纵波无损检测方法》的国家标准，并已于2013年11月通过国家标准化管理委员会的初步审定。 （）通过将超声应力检测与校准技术应用到焊4 平板类零件、轴类零件、管类内壁、螺栓、涂覆层缝、 玻璃及陶瓷等的残余应力分布检测中，说明了下、 残余应力超声临界折射纵波检测方法的准确性、实用性以及应用领域的广泛性。参考文献： ［1］CHERAUCHE，WOHLFAHRTH，WOLFSMA－ ］TIEGU，etc．DefinitionVonEiensannunen［J．gpg，echn．Mitt．1973，28：201211．Harterei－T－ ［］2IKTORH．StructuralandresidualstressanalsisbVyy ：Enondestructivemethods［M］．Netherlandslsevier，Press1997． ［］任学冬，乔海燕，等．铁磁性材料表面残余应力3王树志， ］：巴克豪森效应的评价［无损检测，J．2013，35（6）2628．－ ［4］OSSININS，DASSISTIM，BENYOUNISKY，R etc．Methodsofmeasurinresidualstressesincom－g［］，onentsJ．Mater．andDes．2012，35：572588．－p ［］5ANQX，LIY，BAIXG，etc．InsectininteritPpggy ［／／lateresidualstressofbultrasonicwaveC］andpyProceedinsf011Internationalonferenceno2Cog，MechatronicsandAutomation2011：11371141．－ ［］，VAG6SHARJELISP，MEHDIAN．UsinLYAgCR ultrasonicmethodtoevaluateresidualstressindis－［］similarweldedJ．InternationalJournalofInies－pp，2：novationManaementandTechnolo013（4）ggy170174．－ ［］［7OSEJL．UltrasonicwavesinsolidmediaM］．Cam－R ：，brideCambrideUniversitPress1999．ggy ［］8ADEGHIS，NAJAFABADIMA，JAVADIY，etc．S Usinultrasonicwavesandfiniteelementmethodtogevaluatethrouhthicknessresidualstressesdistribu－－glatestioninthefrictionstirweldinofaluminumpg［］，J．MaterialsandDesin2013，52：870880．－g ［］9ONGWT，PANQX，XUCG，etc．BenchmarkofS stressforultrasonicnondestructivetestinresidualg［／／C］2013FarEastForumonNondestructiveEvalu－／：N，ationTestinewechnololicationTggypp＆A2013，7376．－ 欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂 2014全国特种设备安全与节能学术会议暨展览会征文与招展通知 由国家质量监督检验检疫总局科技委特种设备安全与节能专业技术委员会和特种设备科技协作平台共同主办、中国特检院等50多家特种设备检验检测机构支持的2014全国特种设备安全与节能科技活动周将于2014年11月20－30日期间在广东举行。本届科技活动周将有来自全国特种设备行业的8其主题是“推进科技创00到1000人参加活动，，新，引领特检未来”旨在交流最新特检科技成果，培育科技创新环境，不断促进特检科技进步。 本届科技活动周期间将举办2014全国特种设备安全与节能学术会议和全国特种设备科技成果与仪器展。征文内容为在国内外杂志和学术会议上未发表的有关锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆、大型常压储罐和大型钢结构等设备的设计、制造、安装、检验检测、使用、安全监察和节能监管等环 节的安全和节能技术研究和应用方面的论文。展览会招展范围为有关锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆、大型常压储罐索道、 和大型钢结构等设备的设计、制造、安装和检验检测等方面的新成果、新技术、新产品和先进的检验检测仪器设备等。 本次活动周是2014年度我国特种设备行业一次盛大的活动，真诚邀请您踊跃投稿和参展，详细信息请登陆中国特。种设备科技协作平台门户网站www．set．or．cnpg 会议和展览秘书处联系方式： 地址：北京市朝阳区和平街西苑2号楼；邮政编码：，吴茉，张硕；电话：100013联系人：0105906830259068108；－；传真：电子邮箱：学术01059068113an＿set63．com（－qyjp＠1：＿会议）科技成果展）kczset63．com（＠1jgp （中国特种设备科技协作平台） 2014年第36卷第7期 31

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注塑成型各种缺陷的现象及解决方法 1. 龟裂 龟裂是塑料制品较常见的一种缺陷，产生的主要原因是由于应力变形所致。主要有残余应力、外部应力和外部环境所产生的应力变形。 （－）残余应力引起的龟裂 残余应力主要由于以下三种情况，即充填过剩、脱模推出和金属镶嵌件造成的。作为 在充填过剩的情况下产生的龟裂，其解决方法主要可在以下几方面入手： （1）由于直浇口压力损失最小，所以，如果龟裂最主要产生在直浇口附近，则可考虑改用多点分布点浇口、侧浇口及柄形浇口方式。 （2）在保证树脂不分解、不劣化的前提下，适当提高树脂温度可以降低熔融粘度，提高流动性，同时也可以降低注射压力，以减小应力。 （3）一般情况下，模温较低时容易产生应力，应适当提高温度。但当注射速度较高时，即使模温低一些，也可减低应力的产生。 （4）注射和保压时间过长也会产生应力，将其适当缩短或进行Th次保压切换效果较好。 （5）非结晶性树脂，如 AS树脂、 ABS树脂、 PMMA树脂等较结晶性树脂如聚乙烯、聚甲醛等容易产生残余应力，应予以注意。 脱模推出时，由于脱模斜度小、模具型胶及凸模粗糙，使推出力过大，产生应力，有时甚至在推出杆周围产生白化或破裂现象。只要仔细观察龟裂产生的位置，即可确定原因。 在注射成型的同时嵌入金属件时，最容易产生应力，而且容易在经过一段时间后才产生龟裂，危害极大。这主要是由于金属和树脂的热膨胀系数相差悬殊产生应力，而且随着时间的推移，应力超过逐渐劣化的树脂材料的强度而产生裂纹。为预防由此产生的龟裂，作为经验，壁厚7"与嵌入金属件的外径通用型聚苯乙烯基本上不适于宜加镶嵌件，而镶嵌件对尼龙的影响最小。由于玻璃纤维增强树脂材料的热膨胀系数较小，比较适合嵌入件。 另外，成型前对金属嵌件进行预热，也具有较好的效果。 （二）外部应力引起的龟裂 这里的外部应力，主要是因设计不合理而造成应力集中，特别是在尖角处更需注意。由图2－2可知，可取R／7"一0．5～0．7。 （三）外部环境引起的龟裂 化学药品、吸潮引起的水降解，以及再生料的过多使用都会使物性劣化，产生龟裂。 二、充填不足 充填不足的主要原因有以下几个方面： i. 树脂容量不足。 ii. 型腔内加压不足。 iii. 树脂流动性不足。 iv. 排气效果不好。 作为改善措施，主要可以从以下几个方面入手： 1）加长注射时间，防止由于成型周期过短，造成浇口固化前树脂逆流而难于充满型腔。 2）提高注射速度。 3）提高模具温度。 4）提高树脂温度。 5）提高注射压力。 6）扩大浇口尺寸。一般浇口的高度应等于制品壁厚的1／2～l／3。 7）浇口设置在制品壁厚最大处。 8）设置排气槽（平均深度0．03mm、宽度3～smm）或排气杆。对于较小工件更为重要。 9）在螺杆与注射喷嘴之间留有一定的（约smm）缓冲距离。 10）选用低粘度等级的材料。 11）加入润滑剂。 三、皱招及麻面 产生这种缺陷的原因在本质上与充填不足相同，只是程度不同。因此，解决方法也与上述方法基本相同。特别是对流动性较差的树脂（如聚甲醛、PMMA树脂、聚碳酸酯及PP树脂等）更需要注意适当增大浇口和适当的注射时间。 四、缩坑 缩坑的原因也与充填不足相同，原则上可通过过剩充填加以解决，但却会有产生应力的危险，应在设计上注意壁厚均匀，应尽可能地减少加强肋、凸柱等地方的壁厚。 五、溢边 对于溢边的处理重点应主要放在模具的改善方面。而在成型条件上，则可在降低流动性方面着手。具体地可采用以下几种方法： 1）降低注射压力。 2）降低树脂温度。 4）选用高粘度等级的材料。 5）降低模具温度。 6）研磨溢边发生的模具面。 7）采用较硬的模具钢材。 8）提高锁模力。 9）调整准确模具的结合面等部位。 10）增加模具支撑柱，以增加刚性。 ll）根据不同材料确定不同排气槽的尺寸。 六、熔接痕 熔接痕是由于来自不同方向的熔融树脂前端部分被冷却、在结合处未能完全融合而产生 的。一般情况下，主要影响外观，对涂装、电镀产生影响。严重时，对制品强度产生影响 （特别是在纤维增强树脂时，尤为严重）。可参考以下几项予以改善： l）调整成型条件，提高流动性。如，提高树脂温度、提高模具温度、提高注射压力及速 度等。 2）增设排气槽，在熔接痕的产生处设置推出杆也有利于排气。 3）尽量减少脱模剂的使用。 4）设置工艺溢料并作为熔接痕的产生处，成型后再予以切断去除。 5）若仅影响外观，则可改变烧四位置，以改变熔接痕的位置。或者将熔接痕产生的部位处理为暗光泽面等，予以修饰。 七、烧伤 根据由机械、模具或成型条件等不同的原因引起的烧伤，采取的解决办法也不同。 1）机械原因，例如，由于异常条件造成料筒过热，使树脂高温分解、烧伤后注射到制品 中，或者由于料简内的喷嘴和螺杆的螺纹、止回阀等部位造成树脂的滞流，分解变色后带入制品，在制品中带有黑褐色的烧伤痕。这时，应清理喷嘴、螺杆及料筒。 2）模具的原因，主要是因为排气不良所致。这种烧伤一般发生在固定的地方，容易与第 一种情况区别。这时应注意采取加排气槽反排气杆等措施。 3）在成型条件方面，背压在300MPa以上时，会使料筒部分过热，造成烧伤。螺杆转速过高时，也会产生过热，一般在40～90r／min范围内为好。在没设排气槽或排气槽较小时，注射速度过高会引起过热气体烧伤。 八、银线 银线主要是由于材料的吸湿性引起的。因此，一般应在比树脂热变形温度低10～15C的条件下烘干。对要求较高的PMMA树腊系列，需要在75t）左右的条件下烘干4～6h。特别是在使用自动烘干料斗时，需要根据成型周期（成型量）及干燥时间选用合理的容量，还应在注射开始前数小时先行开机烘料。 另外，料简内材料滞流时间过长也会产生银线。不同种类的材料混合时，例如聚苯乙烯和ABS树脂、AS树脂，聚丙烯和聚苯乙烯等都不宜混合。 九、喷流纹 喷流纹是从浇口沿着流动方向，弯曲如蛇行一样的痕迹。它是由于树脂由浇口开始的注射速度过高所导致。因此，扩大烧四横截面或调低注射速度都是可选择的措施。另外，提高模具温度，也能减缓与型腔表面接触的树脂的冷却速率，这对防止在充填初期形成表面硬化皮，也具有良好的效果。 十、翘曲、变形 注射制品的翘曲、变形是很棘手的问题。主要应从模具设计方面着手解决，而成型条件的调整效果则是很有限的。翘曲、变形的原因及解决方法可参照以下各项： 1）由成型条件引起残余应力造成变形时，可通过降低注射压力、提高模具并使模具温度均匀及提高树脂温度或采用退火方法予以消除应力。 2）脱模不良引起应力变形时，可通过增加推杆数量或面积、设置脱模斜度等方法加以解决。 3）由于冷却方法不合适，使冷却不均匀或冷却时间不足时，可调整冷却方法及延长冷却时间等。例如，可尽可能地在贴近变形的地方设置冷却回路。 4）对于成型收缩所引起的变形，就必须修正模具的设计了。其中，最重要的是应注意使制品壁厚一致。有时，在不得已的情况下，只好通过测量制品的变形，按相反的方向修整模具，加以校正。收缩率较大的树脂，～般是结晶性树脂（如聚甲醛、尼龙、聚丙烯、聚乙烯及PET树脂等）比非结晶性树脂（如PMMA树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS树脂及AS树脂等）的变形大。另外，由于玻璃纤维增强树脂具有纤维配向性，变形也大。 十一、气泡 根据气泡的产生原因，解决的对策有以下几个方面： 1）在制品壁厚较大时，其外表面冷却速度比中心部的快，因此，随着冷却的进行，中心部的树脂边收缩边向表面扩张，使中心部产生充填不足。这种情况被称为真空气泡。解决方法主要有： a）根据壁厚，确定合理的浇口，浇道尺寸。一般浇口高度应为制品壁厚的50％～60％。 b）至浇口封合为止，留有一定的补充注射料。 C）注射时间应较浇口封合时间略长。 d）降低注射速度，提高注射压力， e）采用熔融粘度等级高的材料。 2）由于挥发性气体的产生而造成的气泡，解决的方法主要有： a）充分进行预干燥。 b）降低树脂温度，避免产生分解气体。 3）流动性差造成的气泡，可通过提高树脂及模具的温度、提高注射速度予以解决。 十二、白化 白化现象最主要发生在ABS树脂制品的推出部分。脱模效果不佳是其主要原因。可采用降低注射压力，加大脱模斜度，增加推杆的数量或面积，减小模具表面粗糙度值等方法改善，当然，喷脱模剂也是一种方法，但应注意不要对后续工序，如烫印、涂装等产生不良影响。1.制品填充不足 1）料桶，喷嘴及模具的温度偏低 2）加料量不足 3）料桶内的剩料太多 4）注射压力太小 5）注射速度太慢 6）流道和浇口尺寸太小，浇口数量不够，切浇口位置不恰当 7）型腔排气不良 8）注射时间太短 9）浇注系统发生堵塞10）塑料的流动性太差 2.制品有溢边 1）料桶，喷嘴及模具温度太高 2）注射压力太大，锁模力太小 3）模具密合不严，有杂物或模板已变形 4）型腔排气不良 5）塑料的流动性太好 6）加料量过大 3.制品有气泡 1）塑料干燥不够，含有水分 2）塑料有分解 3）注射速度太快 4）注射压力太小 5）麻烦温太底，充模不完全 6）模具排气不良 7）从加料端带入空气 4.制品凹陷 1）加料量不足 2）料温太高 3）制品壁厚与壁厚相差过大 4）注射和保压的时间太短 5）注射压力太小 6）注射速度太快 7）浇口位置不恰当 5.制品有明显的熔合纹 1）料温太低，塑料的流动性差 2）注射压力太小 3）注射速度太慢 4）模温太低 5）型腔排气不良 6）塑料受到污染 6.制品的表面有银丝及波纹 1）塑料含有水分和挥发物 2）料温太高或太低 3）注射压力太小 4）流道和浇口的尺寸太大 5）嵌件未预热回温度太低 6）制品内应力太大 7.制品的表面有黑点及条纹 1）塑料有分解 2）螺杆的速度太快，背压力太大 3)喷嘴与主流道吻合不好，产生积料 4）模具排气不良 5）塑料受污染或带进杂物 6）塑料的颗粒大小不均匀 8.制品翘曲变形 1）模具温度太高，冷却时间不够 2）制品厚薄悬殊 3）浇口位置不恰当，切浇口数量不合适 4）推出位置不恰当，且受力不均 5）塑料分子定向作用太大 9.制品的尺寸不稳定 1）加料量不稳定 2）塑料的确颗粒大小不均匀 3）料桶和喷嘴的温度太高 4）注射压力太小 5）充模和保压的时间不够 6）浇口和流道的尺寸不恰当7）模具的设计尺寸不恰当 8）模具的设计尺寸不准确 9）推杆变形或磨损10）注射机的电气，液压系统不稳定 10.制品粘模 1）注射压力太大，注射时间太长 2）模具温度太高 3）浇口尺寸太大，且浇口位置不恰当 由于塑料具有重量轻、韧性好、成型 易。成本低等优点，回此在现代 业和日 用产品中，越来越多用塑料代替玻璃，特 别应用于光学仪器和包装工业方面，发展 尤为迅速。但是由于要求其透明性要好， 耐磨件要高，抗冲击韧件要好，回此对塑 料的成份，注塑整个过程的工艺，设备。 模具等，都要作出大量工作，以保证这些 用于代替玻璃的塑料（以下简称透明塑 料），表面质量良好，从而达到使用的要求。 目前 市场上一般使用的透明塑料有 聚甲基丙烯酸甲酯（即俗称亚加力或有机 玻璃，代号pmma）、聚碳酸酯（代号 pc）。聚对苯二甲酸乙二醇脂（代号 pet）、透明尼龙。as（丙烯睛一苯 乙烯共聚物）、聚砜（代号psf）等， 其中我们接触得最多的是pmma。pc 和pet三种塑料，由于编幅有限，下 面就以这三种塑料为例，讨论透明塑 料的特性和注塑工艺。 一、透明塑料的性能 透明塑料首先必须有高透明度， 其次要有一定的强度和耐磨性，能抗 冲击，耐热件要好，耐化学性要优， 吸水率要小，只有这样才能在使用中，能满足透明度的要求而长久不变，下面列出表 l，比较一下 pmma、pc和 pet的 性能。 表1：透明塑料性能比较 材料\性能 密度(g/am2) 抗拉强度(mpa) 缺口冲击(j/m2) 透明度(%) 变形温度(℃) 允许含水量 收缩率 耐磨性 抗化学性 pmma 1.18 75 1200 92 95 0.04 0.5 差 良 pc 1.20 66 1900 90 137 0.02 0.6 中 良 pet 1.37 165 1030 86 120 0.03 2 良 优 注：（1）因品种繁多，这只是取平均 值，实际不同品种数据有异。 （2）pet数据（机械方面）为经拉伸后的数据。 从表1数据可知pc是较理想的选择， 但主于其原料价贵和注塑工艺较难，所以 仍以选用pmma为主，（对一般要求的制 品），而ppt由于要经过拉伸才能得到好的机械性能，所以多在包装、容器中使用。 二、透明塑料注塑过程中应注意的共同问题 透明塑料由于透光率要高，必然要求 塑料制品表面质量要求严格，不能有任何 斑纹、气孔、泛白。雾晕、黑点、变色、 光泽不佳等缺陷，因而在整个注塑过程对 原料、设备。模具、甚至产品的设计，都 要十分注意和提出严格甚至特殊的要求。 其次由于透明塑料多为熔点高、流动 性差，因此为保证产品的表面质量，往往 要在机高温度、注射压力、注射速度等工 艺参数作细微调整，使注塑料时既能充满 模，又不会产生内应力而引起产品变形和 开裂。 下面就其在原料准备。对设备和模具 要求、注塑工艺和产品的原料处理几方 面，谈谈应注意的事项。 （一）原料的准备与干燥 由于在塑料中含有任何一点杂质，都 可能影响产品的透明度，因此和储存、运 输。加料过程中，必须注意密封，保证原 料干净。特别是原料中含有水分，加热后 会引起原料变质，所以一定要干燥，并在 注塑时，加料必须使用干燥料斗。还要注 意一点的是干燥过程中，输入的空气最好 应经过滤、除湿，以便保证不会污染原 料。其干燥工艺如表2， 表2，透明塑料的干燥工艺： 材料\工艺 干燥温度（℃） 干燥时间（h） 料层厚度（mm） 备注 pmma 70～80 2～4 30～40 pc 120～130 >6 <30 采用热风循环干燥 pet 140～180 3～4 采用连续干燥加料装置为佳 （二）机筒、螺杆及其附件的清洁 为防止原料污染和在螺杆及附件凹陷 处存有旧料或杂质，特别热稳定性差的树 脂存在，因此在使用前、停机后都应用螺 杆清洗剂清洗干净各件，使其不得粘有杂 质，当没有螺杆清洗剂时，可用pe、ps等 树脂清洗螺杆。 当临时停机时，为防止原料在高温下 停留时间长，引起解降，应将干燥机和机筒温度降低，如 pc、 pmma等机筒温度都 要降至 160℃以下。（料斗温度对于 pc应 降至100℃以下） （三）在模具设计上应注意的问题（包 括产品的设计） 为了防止出现回流动不畅，或冷却不均 造成塑料成型不良，产生表面缺陷和变质， 一般在模具设计时，应注意以下几点。 a）壁厚应尽量均匀一致，脱模斜度要 足够大; b）过渡部分应逐步。圆滑过渡，防止 有尖角。锐边产生，特别是pc产品一定不 要有缺口; c）浇口。流道尽可能宽大、粗短，且 应根据收缩冷凝过程设置浇口位置，必要时 应加冷料井；d）模具表面应光洁，粗糙度低（最好 低于0.8）； e）排气孔。槽必须足够，以及时排出 空气和熔 体中的气 体； f）除 pet外， 壁厚不要 太薄，一般不得小于lmm。 （四）注塑工艺方面应注意的问题(包括注塑机的要求） 为了减少内应力和表面质量缺陷，在注 塑工艺方面应注意以下几方面的问题。 a）应选用专用螺杆、带单独温控射咀 的注塑机; b)注射温度在塑料树脂不分解的前提下，宜用较高注射湿度； c）注射压力：一般较高，以克服熔料 粘度大的缺陷，但压力太高会产生内应力造 成脱模因难和变形； d）注射速度：在满足充模的情况下， 一般宜低，最好能采用慢一快一慢多级注 射； e）保压时间和成型周期：在满足产品 充模，不产生凹陷、气泡的情况下；宜尽 量短，以尽量减低熔料在机筒停留时间； f）螺杆转速和背压：在满足塑化质量 的前提下，应尽量低，防止产生解降的可 能； g）模具温度：制品的冷却好坏，对质 量影响极大，所以模温一定要能精确控制其 过程，有可能的话，模温宜高一些好。 （五）其他方面的问题 由于为要防上表面质量恶化，一般注塑 时尽量少用脱模剂；当用回用料时不得大于 20％。 对于除pet外，制品都应进行后处理， 以消除内应力，pmma应在70－80t热风循 环干燥4小时； pc应在清洁空气、甘油。 液体石腊等加热 110－135℃，时间按产品而 定，最高需要10多小时。而pet必须经过 双向拉伸的工序，才能得到良好机械性能。 三、透明塑料的注塑成型工艺 （一）透明塑料的工艺特性：除了以上 的共同问题，透明塑料亦各有一些工艺特 性，现分述如下： 1、pmma 的工艺特性pm－ma粘度 大，流动性稍差，因此必须高料温、高注射压力注塑 才行，其中注射温度的影响大于注射压力， 但注射压力提高，有利于改善产品的收缩 率。 注射温度范围较宽，熔融温度为 160℃，而分解温度达270℃，因此料温调节 范围宽，工艺性较好。故改善流动性，可从 注射温度着手。 冲击性差，耐磨性不好，易划花，易脆 裂，故应提高模温，改善冷凝过程，去克服 这些缺陷。 2。pc的工艺特性 pc粘度大，融料温度高，流动性差， 回此必须以较高温度注塑（270－320t之 间），相对来说料温调节范围较窄，工艺性 不如pmma。 注射压力对流动性影响较小，但因粘度 大，仍要较大注射压力，相应为了防止内应 力产生，保压时间要尽量短。 收缩率大，尺寸稳定，但产品内应力 大，易开裂，所以宜用提高温度而不是压力 去改善流动性，并且从提高模具温度，改善 模具结构和后处理去减少开裂的可能。 当注射速度低时，浇口处易生波纹等缺 陷，放射咀温度要单独控制，模具温度要 高，流道、浇口阻力要小。 3、pet的工艺特性 pet成型温度高，且料温调节范围窄 （260－300℃），但熔化后，流动性好，故 工艺性差，且往往在射咀中要加防延流装 置。 机械强度及性能注射后不高，必须通过 拉伸工序和改性才能改善性能。 模具温度准确控制，是防止翘曲。变形 的重要回素，回此建议采用热流道模具。模 具温度官高，否则会引起表面光泽差和脱模 回难。 综上所述，我们可以列出在塑工艺参数 表3透明塑料注塑成型工艺参数表 表（表3），供大家注射时参考。 表3透明塑料注塑成型工艺参数表： 工艺参数\塑料名称 温度（℃） 压力（mpa） 转速（rpm） 射嘴 均化段压缩段加料段模具 注射 保压背压 螺杆 pmma 180-200 190-210 200-230 180-200 40-90 70-15040-6014.5-40 20-40 pc 250-270 260-285 270-300 240-270 85-100 80-15040-706-14.7 20-60 pet 260-300 265-300 260-295 250-290 68-140 86-12030-504.85 20-70 四、透明塑料件的缺陷和解决办法 由于篇幅关系，这里只讨论影响产品 透明度的缺陷，其他缺陷请参考本公司的 产品说明书或其他资料?。其缺陷大概有以 下几项： （一）银纹：由充模和冷凝过程中， 内应力各向异性影响，垂直方向产生的应 力，使树脂发生流动上取向，而和非流动 取向产生折光率不同而生闪光丝纹，当其 扩展后，可能使产品出现裂纹。 除了在注塑工艺和模具上注意外（见 表4，最好产品作退火处理。如pc料可 加热到 160℃以上保持 3－ 5分钟，再自然 冷却即可。 （二）气泡：主于树脂内的水气 和其他气体排不出去，（在模具冷凝 过程中）或因充模不足，冷凝表面又 过快冷凝而形成“真空泡”。其克服 方法见表4。 （三）表面光泽差：主于模具粗 糙度大，另一方面冷凝过早，使树脂 不能复印模具表面的状态，所有这些 都使其表面产牛微小凹凸不平，而使 产品失去光泽。其克服方法见表4。 （四）震纹：是指从直浇口为中 心形成的密集波纹，其原因因熔体粘度过 大，前端料已在型腔冷凝，后来料又冲破 此冷凝面，而使表面出现震纹。其克服方 法见表4。 （五）泛白。雾晕：主要由于在空气 中灰尘落入原料之中或原料含水量太大而 引起的。其克服方法见表4。 （六）白烟。黑点：主要由于塑料在 机筒内，因局部过热而使机筒树脂产生分 解或变质而形成的。其克服方法见表4。 为了使清楚地说明克服这些缺乏所摄 取的措施，列出表4供大家参考。 表四：透明产品的缺陷和克服方法： 克服方法\缺陷 银纹 气泡 表面光泽差 震纹 泛白、雾晕 白烟、黑点 树脂原料有杂质或污染 清除杂质、污染 清除杂质、污染 清除杂质、污染 树脂原料干燥 干燥要充分 干燥要充分 干燥要充分 融料温度 降低、控制精确 保证塑化再降低 增加 增加，特别射嘴 降低、控制精确 尽量降低料温 注射压力 增加 增加 增加 增加 增加 调整合适、不变质 注射速度 增加 增加 增加 注射时间 增加 增加 保证压力 生产周期 减少 减少料在机筒内停留时间 背压压力 调整合适 增加 螺杆转速 减少 浇注系统 合理（尺寸及布局） 壁厚部分加浇口 设置布局合理 合理（尺寸及布局） 合理，尽量短粗模具温度 调整适当，略增 增加 增加 增加 冷却时间 增加 增加 模具排气 排气孔够位置对 排气孔够位置对 加冷料井改善 排气孔够位置对 射嘴、流道、浇口 不能堵塞 料流畅、不塞 料流畅、不塞 料流畅、不塞 注射量 增加

1993年9月至1997年7月在南昌航空工业学院材料科学与工程系焊接专业学习。1997年7月毕业，并获得工学学士学位。导师： 柯黎明 教授，主攻方向：脉冲TIG焊接温度场的数值模拟。1997年9月至2003年7月在哈尔滨工业大学材料科学与工程学院学习。1999年7月获得工学硕士学位。导师：邵德春教授，主攻方向：高锰钢辙叉与高碳钢钢轨的焊接。1999年3月获得硕博连读资格，1999年9月入学开始攻读博士学位,2003年7月博士毕业。导师：方洪渊教授，主攻方向：复合钎料钎焊的AL2O3陶瓷微观组织及残余应力研究。2002年12月留校，同时评为讲师。2005年6月，副教授。2006年6月，硕士生导师。2006年11月-2009年10月， 沈阳黎明航发集团博士后工作站博士后。主要从事航空发动机整体叶盘焊接工艺数值模拟优化研究。2009年10月-2010年10月， 英国剑桥大学访问学者，合作导师Harry Bhadeshia。主要从事超级贝氏体钢的焊接性研究。2011年6月-2012年8月，哈尔滨工业大学焊接技术与工程系工作，副主任。2012年8月—今，浙江工业大学机械学院工作，副教授。主要负责完成了一项国家自然科学基金项目《复合钎料对缓解陶瓷与金属接头残余应力机理的研究》(项目号：50075019)， 主持在研国家自然科学基金项目《钎焊过程中润湿铺展与溶解扩散的归一化理论研究》(50704015)。参加了国防“十五”“十一五”预研项目，参与中俄政府间合作项目，以及多项横向课题。发表了100篇余期刊学术论文。并申报多项国家发明专利。《焊接学报》、《焊接》、《材料科学与工艺》、《西安交通大学学报》、《燕山大学学报》、《哈尔滨工业大学学报》、《哈尔滨工业大学学报》（英文版）、《China Welding》、《Acta Metallurgica Sinica(English letters)》等多家杂志在焊接结构力学、焊接数值模拟仿真方向的审稿人。中国机械工程学会焊接分会第九届焊接生产制造与质量保证专业委员会委员（2011-2015）；中国机械工程学会焊接分会第九届计算机辅助焊接工程专业委员会委员（2011-2015）。

摘 要：

为了研究水岩作用对岩体劣化的影响，针对在pH值较低的溶液中试样浸泡效果不明显、浸泡时间长，且长时间浸泡对结果影响较大等问题，以三峡库区库岸边坡砂岩为研究对象，基于不同pH值的化学溶液对岩石的侵蚀作用，对岩石浸泡时间尺度问题及浸泡损伤后的强度模型展开研究。以H+物质的量为指标，运用高浓度的硫酸溶液在较短时间内对低浓度的反应速度和低浓度溶液在较长时间内的化学侵蚀效果做出模拟。同时，分析了浸泡时间周期对砂岩试样的影响，得到了砂岩腐蚀浸入深度与浸泡时间的关系。结果表明：当拟合次数达到4阶时，拟合曲线已基本和数据点重合，说明采用高浓度硫酸溶液的反应来模拟低浓度酸溶液与岩体的反应是可行的；对于较低的pH值，按小时统计的H+物质的量的变化量的变化显得缺乏规律；随着浸泡时间的增加，H+反应面由表及里逐渐深入，浸入路径也不断拉长，导致腐蚀浸入速率也逐渐放缓。砂岩的强度参数对岩石劣化损伤模型的准确性验证分析表明，预测模型能较好地反应岩体劣化后强度的变化趋势。

关键词：

劣化作用;化学溶液;浸泡;时间尺度;损伤模型;

作者简介：

周济芳(1980—),男，高级工程师，博士，主要从事水利水电和岩土工程研究。E-mail:;

基金：

国家自然科学基金资助项目(U1765206);

引用：

周济芳． 酸性溶液作用下岩石浸泡时间尺度及劣化预测模型研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 8) : 162-171.

ZHOU Jifang． Study on prediction model for rock immersion time scale and deterioration under effect of acidic solution［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 162-171.

地表或地下水及其他化学溶液在运移过程中与其周围的岩体不断发生物理力学及化学作用，削弱了围岩体矿物颗粒间的黏结能力，改变了物质组成及孔隙结构，在这种长时间的水岩作用下岩体内部缺陷进一步扩大，导致岩石的物理力学性质逐渐劣化，给围岩、边坡的长期稳定性带来巨大的隐患。

近年来，国内外许多学者从化学机理上对环境对岩石浸泡损伤展开了一系列研究。KUVA等采用化学溶液对岩石进行不同时间浸泡，并结合X射线层析成像和SEM电镜扫描找出了岩石微小孔隙结构，为进一步分析岩石细微观浸泡损伤提供基础；TIWARI等利用不同溶液的流体渗透土体，得出了劣化后的土体抗剪残余强度与化学成分、塑性变形之间的关系，研究方法可为岩石试样的浸泡损伤提供参考。许多学者对岩石浸泡后的物理力学性质及响应机制也进行了大量的浸泡损伤研究,诸多成果为岩石力学的发展提供重要的研究基础。其中：傅晏、刘新荣等采用单轴、三轴压缩及电镜扫描等技术手段对酸性干湿循环的砂岩进行分析，得出酸性干湿循环作用对黏聚力c的劣化影响要大于对内摩擦角ϕ的劣化影响，此结果为边坡治理提供了理论依据；王鲁男、俞缙等通过对不同化学溶液浸泡和冻融循环处理后的粉砂岩进行物理性质与细观结构测试，得出了化学腐蚀与冻胀荷载耦合作用下粉砂岩强度的长期衰减规律，并建立了能反映出粉砂岩强度的非线性衰减特征的预测模型；王思敬等采用水-岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。前人通过电镜扫描和力学等方法研究了浸泡后的岩石在微观和宏观上的变化，其结果具有重要的研究价值，为岩石浸泡损伤研究提供有效手段。

在化学损伤模型研究方面，李宁等采用不同pH值溶液对钙质胶结长石砂岩进行了浸泡损伤，研究了含钙质胶结物的砂岩在酸性环境下力学性质的弱化问题，并从化学动力学的角度建立了砂岩损伤模型。霍润科等通过室内长期加速腐蚀，研究受酸腐蚀砂岩的物理化学性质，建立了酸岩反应动力学模型，为酸性环境下的工程耐久性评价提供参考。王伟等通过对损伤后的红砂岩进行三轴蠕变，基于Kelvin模型提出了考虑水化学作用的砂岩流变损伤本构模型，利用该模型很好地解释了岩石流变过程中的线性及非线性特性。邓华锋[21]根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩应力-应变曲线的特点，分段建立了砂岩损伤本构模型，描述了不同阶段的砂岩力学性质，研究成果对库岸边坡长期变形稳定分析提供了参考。目前，尽管关于化学溶液浸泡对岩石力学特性的影响以及相关研究已有不少的成果，但大部分主要集中在化学溶液浸泡损伤对岩石力学特性影响，以及损伤本构模型的研究。而浸泡损伤的时间效应对过程与结果的干扰问题研究较少，不能全面地反映不同浓度的化学溶液浸泡的时间尺度对岩石劣化的影响，尤其是浸泡时间的长短对数据准确性的影响。

为解决pH值较低的溶液中试样浸泡效果不明显、长时间浸泡中对结果影响较大等问题，本文通过对砂岩在不同pH值的硫酸溶液浸泡下，研究较短时间内对低浓度硫酸溶液的反应速度(用H+物质的量的变化量表征)以及低浓度溶液在较长时间内的化学侵蚀效果，并验证了该方法的可行性，总结酸性溶液作用下岩石浸泡时间尺度效应，建立砂岩腐蚀浸入深度与浸泡时间的函数关系，以及砂岩浸泡损伤后一时间段内弹性模量与浸泡时间的相互关系模型，并通过砂岩的强度参数对该模型的准确性进行验证分析。

1.1 仪器

以中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C岩石力学系统为主要平台(见 图1 ),该设备可进行单轴压缩、三轴压缩、直接剪切和间接拉伸(巴西法),过程控制均采用伺服控制，本文主要利用该平台进行单轴压缩。采用LC-pHB-1M数显pH计(如 图2 )对岩石浸泡前后的4种酸性溶液pH值进行测量，是一台由单片机控制的具有温度及pH双显示pH计，适用于工矿、研究院所的化验室取样测定水溶液的酸度(pH)值和测量电极电位(mV)值。

1.2 岩样性质和溶液制备

以三峡库区巴东部分库岸边坡采集的砂岩为研究对象，岩石试样沿同一个方向加工成54 mm 100 mm的圆柱体，岩样直径误差 0.3 mm, 端面不平整度误差 0.05 mm, 岩石较为致密，接触式胶结(颗粒含量较高，胶结物含量较低)。岩石中碎屑物主要为石英、白云石、长石、岩屑和黑云母。粒度在0.1 0.3 mm之间，砂粒以0.15 0.2 mm为主，属于中-细粒砂岩，其单偏光和正交偏光如 图3 所示。

为缩短时间和排除其他因素的干扰，采用pH值较低硫酸溶液进行岩石浸泡，初始溶液酸碱度分别取pH=1、2、3、4,浸泡期以1 h和12 h为周期进行测量，测量值包括溶液即时pH值和试样直径。浸泡期间以12 h为周期的主要原因为：(1)测量周期较小时，测数据相差不明显，难以对比分析出有效数据；(2)以12 h为周期的数据密度已足以反应H+物质的量随时间的变化规律。

三峡库区水岩化学作用主要是以化学溶蚀改变边坡岩石表面特征，所采用的浸泡溶液是以pH值较低的硫酸溶液，通过以消耗的H+物质的量作为换算标准，建立两者之间的对应关系，就可以利用时间尺度进行两者之间的转化，即，在消耗同样的H+物质的量的条件下，各自所需的时间。同时，浸泡可有效地缩短所需的时间，在短时间内得到覆盖pH=0 7的曲线，通过短时模拟长时，在节省时间的同时，还可有效地减少过程中的温度变化、震动扰动等外界因素对试验结果的影响，使结果更准确可靠。

2.1 量测思路

(1)列出一个相对的时间比尺。在pH=1的溶液中一天消耗氢离子物质的量为 γPH=1,在pH=4的溶液中一天消耗氢离子物质的量为 γPH=4。两者的时间比尺λ= γPH=1/ γPH=4,即岩样在pH=1的溶液中浸泡一天的反应效果，等同于岩样在pH=4的溶液中浸泡λ天的反应效果。

(2)在同一反应曲线中对比不同pH值处在不同H+物质的量的改变量，不同H+物质的量的改变量的比值即为其时间尺度比。测量时段的选择和测点数目的确定是关键。

2.2 测量时段的选择和测点数目的确定

2.2.1 以1 h为测量周期

如 图4 所示，每两个数据点之间的量测间隔为1 h, 采用多项式拟合。从图4可见：(1)当拟合次数达到4阶时，拟合曲线已基本和数据点重合，拟合的决定系数R2达到0.95,该拟合可靠性很高，说明采用高浓度的酸溶液的反应来模拟低浓度酸溶液与岩体的反应是可行的；(2)对于较低的pH值，按小时统计的H+物质的量的变化量的变化显得缺乏规律，当反应物质由表及里逐渐深入，浓度较高的硫酸溶液与砂岩试样中的白云石、方解石等物质发生反应生成水，浓度较高的硫酸溶液电离后，与水形成稳定的水合H+,在短时间内导致较低pH值的H+物质的量的变化量缺乏规律。

因此，须根据实际条件来选取测量的时间段和测量周期，下面将考虑增长测量的时间段，使其他因素引起的扰动不至于掩盖在不同pH值下H+物质的量随时间的变化量的演变规律。

2.2.2 以12 h为测量周期

在拟合的过程中，首先去除大于0的值，根据对拟合曲线的观察，为了满足客观规律：随着pH值的升高，即在溶液中H+浓度降低的同时，H+物质的量的改变量会随之降低。

多项式拟合—数值太大，拟合时舍入误差太大，所以下面采用多项式拟合和先取对数再线性拟合(见 图5 和 图6 ),对比两者的分析效果。

由图5和图6中可知：(1)若以小时作测量周期，宜采用pH=4或pH值更高的溶液，pH= 3时的拟合曲线在对pH>5的溶液进行预测时，得到的H+物质的量的变化量与实际(已定性的规律)相反，当pH更低时，难以通过拟合来获取一条与已定性的规律相符的曲线。(2)用较高的浓度可以在较短时间内对低浓度的反应速度(用H+物质的量的变化量表征)和低浓度溶液在较长时间内的化学侵蚀效果做出模拟。浓度越接近的两种溶液模拟的效果越好，浓度相差越大的模拟时会带来一定的误差，这与反应中的其余因素扰动和这种模拟的前提假设有关。

2.3 不同pH值计算预测综合对比分析

根据上述时间尺度方法，对4种不同pH值的实测值分别求取对应pH预测值，并进行综合对比分析(见 图7 )。由图7可知：该预测方法在一定条件下是可靠合理的，pH为2、3、4时预测值和实测值吻合得较好，其中pH=4的实测值与pH=3对应的预测值两者差值仅为0.14,即较低浓度下该方法预测的准确性很高；但pH=1时的预测值与实测值偏离较大，最大相差为1.59,说明高浓度酸溶液下该方法预测的准确性降低。这也印证了浓度相差越大，预测偏差越大的结论。

假设在反应中产生的次生矿物黏粒不会对已有的贯通孔洞进行堵塞，从而降低反应的速度。实际反应中，这种堵塞造成的反应面减小量dS相对于较大的试件表面积S而言很小，即

所以该假定成立。通过上述内容的分析，可得出：在所取的时间段内反应速度消耗H+物质的量与时间成正比，即

式中，t表示时间；C为常数。

上述时间尺度的关系不仅能在酸溶液中应用，在做一些近似处理后，还可运用于碱溶液或其余化学试剂对岩体的浸泡中。对酸溶液而言，该方法适用于岩体在化学溶液浸泡过程中岩质劣化的主要因素是该岩体的矿物与溶液中氢离子发生反应的情况。

3.1 浸泡现象分析

试验中所采用的砂岩属于中-细粒砂岩，浸泡过程中与硫酸溶液发生反应的物质主要为方解石和白云石，反应式如下

砂岩与硫酸溶液反应后，其生成物附着在表面起到了减缓反应速度的作用，由于其反应生成物多为“孔状”和“层片状”(见 图8 和 图9 ),使得溶液仍能与内部岩体发生进一步的反应，随着反应的进行，溶液的pH值也逐渐降低，说明该反应是由表及里逐渐进行，而且反应速度是逐渐衰减的。

酸性浸泡的过程中，通常通过潜蚀作用来改变矿物颗粒之间的连接状态。某些矿物颗粒尤其是胶结物若是碳酸盐为主要成分的话，上述胶结类型将出现由填充胶结式向接触胶结式的变化或出现胶结物劣化或消失现象。若岩体矿物成分以碳酸盐为主或极易溶于水(如钙质砂岩),浸泡侵蚀之后会出现试件的整体崩塌和颗粒化，实现由岩向土的快速转化。

3.2 砂岩腐蚀浸入深度计算

试验过程中定期用游标卡尺对浸泡试样直径D进行测量，每次测量时选取3 4个测点进行量测，然后求取平均值： D为4次测量的直径和， D/4即为4次测量时段对应的腐蚀浸入深度，通过对数据的拟合分析可以发现，腐蚀浸入深度随时间的变化符合以下公式

式中，a、b为系数，是由岩石性质、温度等因素共同决定的参数，本试样取a = 0.391、b=0.154。

图10 为腐蚀浸入深度随时间的变化曲线，可以看出：在浸泡的初期腐蚀深度增长较快，随浸泡时间的延长，腐蚀浸入深度增长逐渐变缓。这是由于：(1)随着浸泡时间的增加溶液中H+物质的量逐渐减少，溶液pH值则逐渐增大，导致腐蚀浸入速率也逐渐放缓；(2)在化学反应结束之前，反应面由表及里逐渐深入，H+浸入路径也不断拉长，使得腐蚀浸入深度逐渐变缓。

4.1 化学损伤模型的分区

根据现象的分析，将岩体分为三个区域(见 图11 )。

4.1.1 脱落区

脱落区为试件表面层，侵蚀后与试件脱离(自动脱离或受轻微外力后剥离),不再充当承力骨架。假设该区域中可与氢离子反应的物质均已发生反应。

脱落的岩样体积的测定：对应单位时间的pH值测试，用游标卡尺对试件直径进行测量，测得试件直径改变量 ϕ随时间的变化规律，换算后即得到岩样脱落体积随时间的变化规律。

4.1.2 渐进损伤区

渐进损伤区和脱落区相邻，但其胶结物只是发生部分溶解。该区可以作为承力骨架的一部分。若试件较小，孔洞较多，与表面连通的损伤率较大，认为该试件的渐进损伤区域贯穿试件核心，试件只由脱落区和渐进损伤区两部分组成。该区域的化学损伤是渐变的，越远离反应面，损伤越小。该区域的氢离子消耗量为

式中，H0+为试件浸泡反应前用pH计测量并计算得到的溶液所含氢离子数目；Ht+为试件浸泡时间为t时，用pH计测量并计算得到的溶液所含氢离子数目。

该区域溶解的胶结物体积为

4.1.3 无损区

无损区域没有产生任何的化学损伤，是承力骨架的组成部分之一。若试件足够大或试件表面生成物结构致密(如灰岩试件),可阻止氢离子与内部岩体发生进一步的反应，那试件内部就可能存在一个不受酸溶液侵蚀的区域，称为无损区。

4.2 浸泡后模型弹性模量预测

岩体弹性模量与岩体组分、内部结构及所处应力状态密切相关。假设：岩石试样被视为两相物质，由岩石基质和孔隙组成；试样的弹性模量与基质承载面积成正相关性；化学腐蚀结果导致基质承载面积的减小和试样孔隙率的增加，因此试样的弹性模量会随着孔隙率的增大而变小。

定义剩余损伤模量百分比为岩石浸泡损伤前后的弹性模量相对值，即

式中，Et为砂岩损伤后的弹模；E0为砂岩未损伤的弹模。

赵阳将岩石等效为具有不同性质部分的组合体，经过理论推导，得出弹模相对值与孔隙率的关系为

式中，nρ为砂岩孔隙率砂岩试样；χ为相对弹性模量。

浸泡在有一定浓度的硫酸溶液中，溶液中H+与试样中的胶结物发生反应，导致砂岩试样的孔隙率增大；同时，随着浸泡时间的增加，砂岩试样的浸入腐蚀过程由表及里逐渐加深(见 图12 ),则腐蚀区对应的承载截面积随时间变化关系如下

式中，R(0)为砂岩试样未损伤前半径；R(t)为砂岩试样腐蚀浸入深度。

因为浸泡后试样的孔隙体积与酸液的腐蚀脱落区体积hA(t)成正比，其中h为试样高度，则有

式中，γ为一比例常数与试件高度h的乘积，通过得到的数据，采用回归方程拟合求得。

将式(8)带入式(6),得

式(15)近似表达了在硫酸溶液作用下，试样弹性模量与时间关系。

算例：对于pH=2的硫酸溶液来说，砂岩试样高度h=100 mm, R(0)=27 mm, γ=10,初始弹模E0=41.5 GPa, 求得a1=5.75 10-6、a2=-7.94 10-4、a3=-3.13 10-5、b1=3.13 10-5、b2=-4.33 10-3、b3=-1.71 10-4,将以上系数和浸泡时间代入式(15)计算可得相应的劣化Et值，相应的计算预测成果与实测数据比较如 图13 所示。

由图13可知：计算值普遍高于实测值，实测最终值越低，高出比例越大，这主要是由于计算公式中没有考虑水对岩体的劣化作用。但变化趋势大致相同，说明该模型具有一定的合理性和适用性。在浸泡腐蚀初期，砂岩试样强度下降较快，随着浸泡时间的延长，砂岩强度逐渐保持稳定。

5 结 论

(1)提出利用H+物质的量的变化量表征岩体化学反应时间尺度的量测方法，并验证了用较高的浓度可以在较短时间内对低浓度的反应速度和低浓度溶液在较长时间内的化学侵蚀效果做出模拟的可行性。

(2)通过时间尺度λ= γPH=1/ γPH=4的方法，对不同浓度的溶液进行相互预测，对比分析预测值和实测值得出：浓度越接近的两种溶液模拟的效果越好，相差越大的模拟时会带来一定的误差，这与反应中的其余因素扰动和这种模拟的前提假设有关。

(3)对浸泡后砂岩表面的形态进行分析，指出砂岩与硫酸溶液的反应生成物多为“孔状”和“层片状”结构，其生成物附着在表面可起到了减缓反应速度的作用，为岩样化学损伤中反应分区和方程式的建立提供依据。

(4)对损伤后的岩样进行了分区—脱落区、渐进损伤区和无损区，建立了浸泡后弹性模量预测模型，通过预测模型计算分析得出：在浸泡腐蚀初期，砂岩试样强度下降较快，随着浸泡时间的延长，砂岩强度逐渐保持稳定。

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是主要传播有关生产、储存、利用和节能的热过程的组件、设备、技术和系统的开发的演示的应用新研究的杂志。

详细介绍：

期刊名 ：APPLIED THERMAL ENGINEERING 或者 APPL THERM ENG

参考译名：应用热力工程

国际标准刊号：ISSN: 1359-4311

期刊语言：多国语言

出版区域：英国

出版周期 ： Monthly （月刊）

扩展资料：

期刊主页网址 ：

通讯方式 ：PERGAMON-ELSEVIER SCIENCE LTD, THE BOULEVARD, LANGFORD LANE, KIDLINGTON, OXFORD, ENGLAND, OX5 1GB

主要研究方向 ：

工程与材料；工程热物理与能源利用；工程热物理相关交叉领域；传热传质学；可再生与替代能源利用中的工程热物理问题；多相流热物理学；化学科学；燃烧学；建筑环境与结构工程；信息科学；工程热力学；机械工程等。

参考资料来源：百度-Applied Thermal Engineering官网

中国工程热物理学会2015年学术会议征文通知 2015年05月20日 中国工程热物理学会2015年学术会议征文通知 中国工程热物理学会将于2015年秋季由学会各学科分会分别组织召开学术会议。现将征文有关事项通知如下，欢迎投稿。 征文内容，包括下列学科：工程热力学与能源利用；热机气动热力学；传热传 质学；燃烧学；多相流；流体机械。 欢迎从事工程热物理各有关领域和能源、航空、航天、动力、发电、制冷、冶金、 石油、煤炭、环境保护、材料等部门的研究人员、工程技术人员、教师及研究生踊跃投稿，进行学术交流和讨论。 二、要求应征稿件观点明确、论据充分、公式正确、图表清晰、文字简练。 三、来稿有关要求如下： 题目：二号黑体字，一般不超过18个字； 作者姓名：小四号仿宋体； 作者单位、邮政编码：小五号宋体； 联系电话、E-mail：五号宋体；（为便于联系请作者务必给出电话、E-mail） 摘要：“摘要”二字为小五号黑体，摘要内容200字左右，为小五号宋体； 关键词：“关键词”三字为小五号黑体，关键词一般为3～5个，为小五号宋体； 引言、正文、结论：标题为小四号黑体，内容为五号宋体； 参考文献：“参考文献”四字为五号黑体，内容为小五号宋体； 插图：图说、图中字、坐标值均为小五号宋体，图及符号尽量插在文内。 (2) 所投稿件，一律使用Word电子文档，纸张大小：A4。页面设置，页边距：上4.0 cm；下3.7 cm；左3.5 cm；右3.5 cm。即：打字部分高22 cm，宽14 cm，单倍行距，切勿超出。稿件首页第一行左边打印“中国工程热物理学会”，右边打印稿件是属于第一项中所列举六个学科的“哪一个学科”；第二行左边打印“学术会议论文”，右边打印“编号：”，（号码暂空），均为小五号字，请注意不要再另设页眉页脚。 四、稿件无论录取与否恕不退稿，请作者自留底稿。 五、经审稿录取的论文由学会统一编号，并将审查意见通知第一作者。作者按上述格式修改后寄回学会，由学会统一出版。不符合格式要求的稿件，必须重新排印。 六、请勿一稿两投。凡在国内外公开出版的期刊、书籍和学术会议上发表过的论文、报告，内容无重大改进者，恕不接受。 七、应征论文请发送到：，请在邮件主题标明所投学科名称。 八、征文截止日期为2014年6月15日（以发信邮戳日期为准）。 九、经审查录取的论文在2014年7月底通知第一作者，8月1日尚未接到录取通知的作者请在8月20日前通过email: 查询。 十、经学术会议评审出的优秀论文，将推荐在《工程热物理学报》上发表。 十一、学术会议的地点和开会日期，另行通知。 十二、欢迎各企业、事业单位来人、来函商讨各项业务事宜。 中国工程热物理学会 2014年10月

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thermalenergyandpowerengineering热能与动力工程双语对照词典结果：网络释义1.热能与动力工程例句:1.allenergyandpowersystemsexactatoll.所有的能源和能量系统都需要投入。2.iguessishouldsaysomethingaboutdifferencebetweenpowerandenergy.我想我应该谈下功率和能之间的区别。

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如果没有记错应该是双月刊，发行量比较小，名气不大，网址可以上中国知网上看看，而且很可能看了也没有，只供内部人发发论文评职称用

《四川电力技术》杂志是省级优秀刊物，暂无任何官网，只能投,不收取任何费用，录用后还发稿费。网上收钱的都是子，切莫上当受。